KR102080635B1 - 일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 프리 차징 동작 방법 - Google Patents

일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 프리 차징 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 일체형 전자식 릴레이는, 스위칭부; 상기 스위칭부의 구동 전압을 인가하는 절연부; 및 상기 스위칭부와 연결되어 프리 차징을 수행하며 상기 스위칭부 및 절연부와 일체화되는 프리차지 저항;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고전압 기계식 릴레이를 사용하지 않음으로써 무게 및 부피를 감소시켜 전원 단속 장치의 소형 및 경량화가 가능하다.

Description

일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 프리 차징 동작 방법{All-in-one electronic relay, Power source control apparatus using the same, and Method for operating pre-charge function using the apparatus}
본 발명은 차량용 전원 단속 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 프리차지 회로의 요구성능을 만족하며 개선된 성능의 일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 프리 차징 동작 방법에 대한 것이다.
환경 차량은 기존의 내연기관뿐 아니라 전기 에너지를 동력원으로 구동하는 차량이다. 전기 에너지를 이용하여 차량 구동을 위해서는 크게 고전압 배터리 시스템과 모터 구동 시스템의 구성이 요구된다.
고전압 배터리 시스템은 다수의 전지셀과 제어/관리 시스템, 냉각장치, 전원 단속 장치로 구성되어 있다. 전원 단속 장치는 고전압 배터리 시스템과 외부간의 전기적 절연을 확보하고 고전압 전류를 측정하고 돌입전류를 제한하는 기능을 담당한다.
고전압은 100V~500V의 범위를 가지고 있으며, 누설이 발생하는 경우 인명 사고를 유발할 수 있기 때문에 고전압을 외부와 연결 및/또는 차단할 수 있는 기능을 확보하여야 한다. 시동을 걸면 고전압 릴레이가 연결되고 시동을 끄면 고전압 릴레이가 해제된다.
이러한 전원 단속 장치의 구성을 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 전원 단속 장치의 구성은 고전압 메인 릴레이(120,130), 프리차지 릴레이(140), 프리차지 저항(110) 등으로 구성된다.
메인 릴레이(120,130)는 고전압 배터리의 (+),(-)에 각각 연결되어 회로 연결 및/또는 차단을 담당한다. 프리차지 릴레이(140) 및 프리차지 저항(110)은 고전압 배터리와 직렬로 연결되는 인버터의 커패시터를 충전하는 용도로 사용된다.
커패시터에 전압이 걸려있지 않은 상태에서 연결하게 되면 내부저항이 매우 작아서 수천 A이상의 돌입전류가 인가된다. 이를 방지하기 위해서 메인 릴레이(130)와 병렬로 연결되는 프리차지 저항(110)과 프리차지 릴레이(140)로 돌입전류를 제한하고 커패시터를 충전시킨 후에 메인 릴레이(120,130)를 연결한다.
이러한 동작 과정을 보여주는 도면이 도 2에 도시된다. 도 2를 참조하면, IG (IGnition) ON이 되면, 메인(-) 릴레이(120) 및 프리차지 릴레이(140)를 ON하고, 이후 정상적인 커패시터 전압 충전 이후, 메인(+) 릴레이(130)를 ON한다. 이러한 프리 차징 순서는 널리 공지되어 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
그런데, 이러한 일반적인 전원 차단 장치에 따르면, 프리차지 릴레이와 프리차지 저항은 고전압 기계식 릴레이와 시멘트 저항으로 구성되어 있다.
고전압 기계식 릴레이는 내부 전자석이 접점간을 이동하여 연결, 개방의 상태를 구현한다. 물리적으로 금속간의 충돌이 있어 필연적으로 소음이 발생하고 마모가 발생하며, 이러한 마모로 인해 수명이 저하되는 단점이 있었다.
또한, 시멘트 저항은 돌입전류에 상응하는 돌입용량을 견딜 수 있는 특성을 지녔지만 상대적으로 부피가 크고 무거운 단점이 있었다.
또한, 구성 소자들이 직렬 연결되므로 부품수가 많다는 단점이 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2004-0009318호 2. 한국공개특허번호 제10-2004-0006889호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 고전압 기계식 릴레이의 사용 대신에 전원 단속 장치의 프로차지 회로를 소형 및 경량화가 가능한 일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 동작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고전압 릴레이의 소음 및 마모를 방지하는 일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 프리 차징 동작 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 고전압 기계식 릴레이의 사용 대신에 전원 단속 장치의 프로차지 회로를 소형 및 경량화가 가능한 일체형 전자식 릴레이를 제공한다.
상기 일체형 전자식 릴레이는,
스위칭부;
상기 스위칭부의 구동 전압을 인가하는 절연부; 및
상기 스위칭부와 연결되어 프리 차징을 수행하며 상기 스위칭부 및 절연부와 일체화되는 프리차지 저항;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 프리차지 저항은 스위칭과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프리차지 저항은 하나의 기판에 부착되게 메탈 클래드인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 IGBT(Insulated Gate Transistor), 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프리차지 저항은 상기 스위칭부의 출력단에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 절연부는 포토 커플러인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 프리 차지의 동작 상태 확인을 위한 모니터링 신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 고전압 배터리; 고전압 배터리의 전원을 단속하는 메인 릴레이; 상기 메인 릴레이의 온 또는 오프에 의해 고전압 배터리의 전원을 충전하는 커패시터; 및 상기 메인 릴레이의 온 또는 오프에 의한 충전시 프리 차징을 수행하는 위에서 기술되는 일체형 전자식 릴레이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 단속 장치를 제공할 수 있다.
이때, 상기 메인 릴레이는, 상기 고전압 배터리의 출력 일단에 연결되는 제 1 메인 릴레이; 및 상기 고전압 배터리의 출력 타단에 연결되는 제 2 메인 릴레이;로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 환경 차량의 충전시 일체형 전자식 릴레이를 이용하여 프리 차징을 수행하는 프리 차징 동작 방법에 있어서, 차량 시동이 온(ON)되는 단계; 차량 시동이 온됨에 따라 제 2 메인 릴레이를 온하는 단계; 상기 제 2 메인 릴레이가 온됨에 따라 일체형 전자식 릴레이를 온하는 단계; 커패시터의 전압이 일정 이상인지를 확인하는 단계; 확인 결과, 일정 이상이면 제 1 메인 릴레이를 온하는 단계; 상기 제 1 메인 릴레이가 온됨에 따라 상기 일체형 전자식 릴레이를 오프하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리 차징 동작 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고전압 기계식 릴레이를 사용하지 않음으로써 무게 및 부피를 감소시켜 전원 단속 장치의 소형 및 경량화가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 고전압 기계식 릴레이를 삭제함으로써 소음 저감, 수명 향상 및 신뢰성 향상 등이 가능하며, 또한 부품수의 감소로 원가 절감이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 전원 단속 장치의 구성도를 보여주는 도면이다.
도 2는 일반적인 프리차징의 순서를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원 단속 장치(300)의 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 일체형 전자식 릴레이(340)의 회로 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 전자식 릴레이(400)의 외관 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 전자식 릴레이(400)의 등가 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 시동에 따른 프리차징 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 전자식 릴레이, 이를 적용한 전원 단속 장치, 및 이의 프리 차징 동작 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원 단속 장치(300)의 회로도이다. 도 3을 참조하면, 전원 단속 장치(300)는 고전압 배터리(350), 이 고전압 배터리(350)의 전원을 단속하는 메인 릴레이(330), 상기 메인 릴레이(330)의 온 또는 오프에 의해 고전압 배터리(350)의 전원을 충전하는 커패시터(380), 및 상기 메인 릴레이(330)의 온 또는 오프에 의한 충전시 프리 차칭을 수행하는 위에서 기술되는 일체형 전자식 릴레이(340) 등을 포함하여 구성된다.
물론, 메인 릴레이(330)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유사하게 상기 고전압 배터리(350)의 (+) 출력단에 연결되는 제 1 메인 릴레이(미도시)와 상기 고전압 배터리(350)의 (-) 출력단에 연결되는 제 2 메인 릴레이(미도시)로 이루어진다.
또한, 커패시터(380)에 충전된 전원은 환경 차량의 모터 부하(360)로 공급된다.
환경 차량의 예로서는 EEV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 연료 전지 차량 등을 들 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 일체형 전자식 릴레이(340)의 회로 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 일체형 전자식 릴레이(340)는, 스위칭부(420), 상기 스위칭부의 구동 전압을 인가하는 절연부(410), 및 상기 스위칭부(420)와 연결되어 프리 차징을 수행하며 상기 스위칭부(420) 및 절연부(410)와 일체화되는 프리차지 저항(421) 등을 포함하여 구성된다.
프리차지 저항(421)은 하나의 기판에 부착되게 소형 메탈 클래드 등을 사용한다. 또한, 프리차지 저항(421)은 상기 스위칭부(420)의 출력단에 직렬로 연결될 수 있다. 부연하면, 프리차지 저항(421)은 방열 성능을 높여 소형으로 회로기판에 부착 가능하도록 스위칭부(420)와 직렬로 연결된다.
또한, 스위칭부(420)는 전력 반도체가 사용되는데, 이는 기계식 릴레이와 대비하여 수명이 길고 동작 소음이 없으며 신뢰성이 높은 장점이 있다. 이러한 전력 반도체로서는 IGBT(Insulated Gate Transistor)가 주로 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
절연부(410)는 12V 입력 전압을 스위칭부(420)에 인가하여 스위칭부(420)가 개방(open) 또는 클로즈(close)되도록 한다. 따라서, 프리차지 저항(421)을 통해 제한된 돌입전류가 인버터(미도시)의 커패시터(도 3의 380)에 충전된다.
또한, 상기 스위칭부(420)는 프리 차지의 동작 상태 확인을 위한 모니터링 신호를 생성한다. 이를 통하여 프리차지의 회로 동작 상태를 확인하는 것이 용이하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 전자식 릴레이(3400)의 사시도이다. 일체형 전자식 릴레이(340)는 하단에 놓이는 스위칭부(420)와 이 스위칭부(420)의 상단에 결합되는 프리차지 저항(421)으로 구성된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 전자식 릴레이(400)의 등가 회로도이다. 도 6을 참조하면, 스위칭부(420)에는 고전압 회로를 구성하는 전력 반도체인 IGBT가 사용되며, 고전압과 저전압을 절연하여 전력 반도체에 구동 전압을 인가하도록 절연부(410)에는 포토 커플러가 사용된다.
따라서, 12V 입력 전압이 절연부(410)를 거쳐 전력 반도체의 Gate-Emitter 단에 인가되면 스위치가 개방되어 직렬 연결된 프리차지 저항(421)을 통해 제한된 돌입전류를 인버터의 커패시터(도 3의 380)에 충전할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 시동에 따른 프리차징 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 차량 시동이 온(ON)되면 제 2 메인 릴레이가 온 상태로 진입한다(단계 S710,S720).
상기 제 2 메인 릴레이가 온됨에 따라 일체형 전자식 릴레이(도 4의 340)를 온한다(단계 S730).
이때, 커패시터(도 3의 380)의 전압이 일정 이상인지를 확인한다(단계 S740). 부연하면, 커패시터의 전압이 90% 이상인지를 확인한다.
단계 S740에서 커패시터의 전압이 90%이상이면 제 1 메인 릴레이를 온하고, 상기 일체형 전자식 릴레이를 오프한다(단계 S750,S760).
이와 달리, 단계 S740에서 커패시터의 전압이 90%가 되지 않으면, 프리 차징 실패로 판단하고 이를 ECU(Electronic Control Unit)(미도시)에 전송한다(단계 S741).
300: 전원 단속 장치
330: 메인 릴레이
340: 일체형 전자식 릴레이
360: 모터 부하
380: 커패시터
410: 절연부
420: 스위칭부
421: 프리차지 저항

Claims (12)

  1. 스위칭부;
    상기 스위칭부의 구동 전압을 인가하는 절연부; 및
    상기 스위칭부와 연결되어 프리 차징을 수행하며 상기 스위칭부 및 절연부와 일체화되는 프리차지 저항;
    을 포함하며,
    상기 프리차지 저항은 상기 스위칭부의 출력단과 인버터의 커패시터 사이에 직렬로 연결되며,
    상기 프리차지 저항은 하나의 기판에 부착된 메탈 클래드이며,
    상기 스위칭부는 IGBT(Insulated Gate Transistor), 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 일체형 전자식 릴레이.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연부는 포토 커플러인 것을 특징으로 하는 일체형 전자식 릴레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 프리 차지의 동작 상태 확인을 위한 모니터링 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 일체형 전자식 릴레이.
  8. 고전압 배터리;
    고전압 배터리의 전원을 단속하는 메인 릴레이;
    상기 메인 릴레이의 온 또는 오프에 의해 고전압 배터리의 전원을 충전하는 커패시터; 및
    상기 메인 릴레이의 온 또는 오프에 의한 충전시 프리 차징을 수행하는 제 1 항, 제 6 항, 및 제 7 항 중 어느 한 항의 일체형 전자식 릴레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 단속 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 메인 릴레이는,
    상기 고전압 배터리의 출력 일단에 연결되는 제 1 메인 릴레이; 및
    상기 고전압 배터리의 출력 타단에 연결되는 제 2 메인 릴레이;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전원 단속 장치.
  10. 환경 차량의 충전시 일체형 전자식 릴레이를 이용하여 프리 차징을 수행하는 프리 차징 동작 방법에 있어서,
    차량 시동이 온(ON)되는 단계;
    차량 시동이 온됨에 따라 제 2 메인 릴레이를 온하는 단계;
    상기 제 2 메인 릴레이가 온됨에 따라 제 1 항에 따른 일체형 전자식 릴레이를 온하여 커패시터를 프리차징하는 단계;
    상기 커패시터의 전압이 일정 이상인지를 확인하는 단계;
    확인 결과, 일정 이상이면 제 1 메인 릴레이를 온하는 단계;
    상기 제 1 메인 릴레이가 온됨에 따라 상기 일체형 전자식 릴레이를 오프하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리 차징 동작 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 프리 차지의 동작 상태 확인을 위한 모니터링 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 프리 차징 동작 방법.
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